低延迟路由器中高效开关分配机制的实现与评测摘要：开关分配位于片上网络路由器流水线的关键路径上，对路由器以至整个片上网络的性能都会产生很大影响.已有的开关分配方法主要针对标准流水线路由器进行分析改进，缺乏对低延迟路由器中基于时间序列的开关分配方法的研究.本文首次在低延迟路由器上实现了基于时间序列的开关分配机制，并针对分配过程中优先矩阵的构造特点进行了优化改进.仿真实验结果表明在低延迟路由器中采用基于时间序列的开关分配策略可以使片上网络的性能得到很大提升.关键词：片上网络；开关分配；时间序列；低延迟路由器；短报文：TP391.9文献标识码：A随着芯片制造工艺的提高，单个芯片上所能集成的处理器核的数目也在不断增加[1].这些处理器核通过片上网络进行互连，并通过片上网络的数据交互来协同完成计算任务，因此片上互连网络的性能将极大地影响多核系统的整体性能.开关分配位于片上网络路由器流水线的关键路径上，对路由器以至整个片上网络的性能都会产生很大影响.通常的开关分配方法通过提高当前周期内匹配的最大个数来提高性能[2]，以使分配过程实现极大匹配或最大匹配.基于这一理念设计的分配方法有iSLIP[3]，Wavefront[4]，AugmentingPaths（增量路径）[1]等.但是单个周期内的最大匹配并不一定就能实现整个系统上的性能最优，并且单个周期内的最大匹配往往使得硬件复杂度较高，功耗和时延也会相应增加.因此，新的开关分配方法在时间维度上进行了优化.George发现[5]，当前片上网络中传输的数据包很多都是长度较短的包，例如在实际系统中有很大部分（78.7%）的数据包都是单切片报文（SingleFlitPacket）[6]，而且这些单切片报文所请求的输出端口往往和上一周期该端口成功分配的输出端口相同.基于此观察，PacketChaining[5]和PseudoCircuit[2]方法发现，加入前一周期成功分配的信息可以提高吞吐率；而TSRouter的方法进一步引入了时间序列（eries，TS）的概念，提出将未来多个周期的开关请求信息加入分配过程会进一步提高性能.虽然TSRouter中的方法使资源分配的性能得到很大提高，但是该方法只在普通路由器体系结构（GeneralRouterArchitecture）[7]上进行了实现，而当前的路由器结构已经在普通路由器上进行了很大改进，一个典型的例子就是低延迟路由器（LowlatencyRouter）[8]，该结构极大地减少了路由器流水线的级数，使得数据包在路由器中的处理时间更短.为了使片上网络中路由器的整体性能最佳，我们将这两种技术进行了结合，在低延迟路由器上实现了TSRouter中提出的时间序列的方法，并对该方法进行了一些改进，降低了方法的复杂性，同时保证了性能.本文首先介绍片上网络中低延迟路由器的体系结构，然后说明低延迟路由器上基于时间序列方法的实现过程和我们所做的改进工作，最后给出我们的方法在Booksim模拟器下的仿真结果以及对今后工作的展望.1低延迟路由器普通路由器体系结构由5个流水阶段组成：路由计算（RoutingComputation），虚通道分配（VirtualchannelAllocation），开关分配（SwitchAllocation），开关通过（SwitchTraversal）和链路通过（LinkTraversal）.图1（a）展示了这种路由器的结构[1].每个输入端和输出端可以有多个虚通道，数据包要从输入端口到达特定的输出端口，必须由开关分配器（SwitchAllocator）分配一个时钟周期，以使数据包在这个时钟周期内从开关中通过.每一个输入端首先通过路由计算模块确定当前数据包所需要到达的输出端口和允许的虚通道集合，然后再由虚通道分配器分配下一跳路由器输入端的一个空闲虚通道供数据包的输入.数据包要从输入端口到达特定的输出端口，必须由开关分配器（SwitchAllocator）分配一个时钟周期，以使数据包在这个时钟周期内从开关中通过，开关分配器就是要在不产生资源冲突的前提下，决定当前周期哪个输入端可以向分配的输出端传输数据.在同一时钟周期内，每个输入端只能向一个输出端传输数据，每个输出端也只能接收一个输入端的数据.为了减少数据包在片上网络的传输时间，提高吞吐率，路由器的结构进行了很多改进.图1（b）是一种低延迟路由器体系结构[2]，我们将在此结构上实现改进后的基于时...